即时通讯IM系统开发

我于2014年开启即时通讯的开发之路，历经从服务端到客户端，从第三方到自研，经历过诸多的研发难题，都一一破解。现将经验总结如下，希望对行业内从事IM开发的程序员有所帮助。

①P2P方式

P2P方式多用于局域网内聊天，这种方式在有种种限制和不便。一方面它只适合在线的点对点消息传输，对离线，群组等支持不够。另一方面由于 NAT 的存在，使得不同局域网内机器互联难度大大上升，在某些网络类型(对称NAT)下无法建立连接。使用P2P方式的软件在启动后一般做两件事情：

1、进行UDP广播:发送自己信息和接受同局域网内其他端信息。

2、开启TCP监听:等待其他端进行连接。

②服务器中转方式

大部分的互联网IM产品都采用服务器中转这种方式进行消息传输，相对于P2P的方式，具有有以下的优点:

1、支持更多P2P无法支持或支持不好的业务，如离线消息，群组，聊天室。

2、方便业务逻辑的拓展和新旧版本的兼容，当然它也有自己的问题，就是服务器架构复杂，并发要求高。

通过以上的比较，建议我们在开发IM系统的时候使用服务器中转的方式。

IM的网络连接方式有基于TCP的长连接和基于HTTP短连接两种:

①基于TCP的长连接

基于TCP长连接则能够更好地支持大批量用户，问题是客户端和服务器的实现比较复杂。也有一些改进，比如下行使用MQTT进行服务器通知/消息的下发，上行使用HTTP短连接进行指令和消息的上传。这种方式能够保证下行消息/指令的及时性，但是在弱网络下上行慢的问题还是比较严重，早期的来往就是基于这种方式。

②基于HTTP短连接

常见于WEB IM系统(现在很多WEBIM都是基于WebSocket实现)，它的优点是实现简单，方便开发上手，问题是流量大，服务器负载较大，消息及时性无法很好地保证，对大规模的用户量支持不够，适合小型的IM系统。

IM常见的协议有：XMPP，MQTT，私有协议。各种协议优缺点情况如下：

①XMPP协议

优点：协议开源，可拓展性强，在各个端(有各种语言的实现，对于前期入门级的开发者是很好的选择，方便进入IM开发的程序员快速上手。

缺点：XML表现力弱，有太多冗余信息，流量大。

常见案例：Gtalk、新浪微博、Facebook。

②MQTT协议

优点：协议简单，流量少。

缺点：不是一个专门为IM设计的协议，多使用于推送。

③私有协议

几乎所有主流的IM APP都是使用私有协议。

优点：高效，节约流量(一般使用二进制协议)，安全性高，难以破解。

缺点：开发初期没有现有样列可以参考，对于参与IM开发的程序员的要求比较高。

常见案例：微信、钉钉。

根据以上的对比，我们得出结果，一个好的协议需要满足高效、简洁、节约流量、易于拓展等要求，同时又能够和当前的开发团队的技术堆栈匹配，不能选择一个他们很难上手的。

这里再提一下，我当时开发IM系统的时候，上手用的是XMPP，在使用的过程中发现了很多问题，踩了很多坑。

①实时性原则

消息实时到达接收方，如果用户在线，则消息实时到达，如果用户不在线，则消息在用户登录后到达。由于网络波动，以及移动端操作系统对应用前后台切换的管理，如何实现用户连接管理、消息实时推送，推送失败的处理方式，客户端重连机制，消息如何补齐等，都需要IM系统考虑。由于TCP开发略微复杂，早期的基于HTTP短轮询、长轮询的低效的技术方案，也无法达到实时性的要求。

②可靠性原则

是指我们经常听到的“消息送达”，通常用消息的不丢失和不重复两个技术指标来表示。可靠性是要确保消息被发送后，能够被接收者收到。由于网络环境的复杂性，以及用户在线的不确定性，消息的可靠性（不丢失、不重复）是IM系统的核心指标，也是IM系统实现中的难点之一。总体来说，IM系统的消息“可靠性”，通常就是指聊天消息投递的可靠性（准确的说，这个“消息”是广义的，因为还存用户看不见的各种指令和通知，包括但不限于进群退群通知、好友添加通知等，为了方便描述，统称“消息”）。

从消息发送者和接收者用户行为来讲，消息“可靠性”应该分为以下几种情况：

1、发送失败：对于这种情况要感知到，明确反馈给发送方。如果此消息没有发送成功，发送方可以选择重试或者稍后再试。

2、发送成功：如果接收方处在“在线”状态，应该立即收到此消息。如果接收方处在“离线”状态不能收到消息，一旦上线则立刻收到消息。

3、消息不能重复：简言之就是发送的一条消息不能被重复收到多次。

③一致性原则

系统中要重视消息的时序问题，不能出现发送的消息顺序颠倒的问题。通常出现时序的问题有以下的原因：

1、网络传输延迟导致时序不一致。不同用户发送的消息到达服务器的延时差异较大，给消息时序性带来挑战。早期开发过程中经常会遇到这种问题。

2、分布式系统的出现导致时序不一致。IM系统模块众多，接入层、消息逻辑层等、每层都分布式集群化，这些应用分布在不同的机器上，如何保证时序是个难点。

④扩展性原则

扩展性是IM系统后期要考虑的问题，包括功能的扩展，服务器的扩展等，这次就先不展开阐述。

Mina和Netty都是Java领域高性能和高可伸缩性网络应用程序的网络应用框架。

Mina是 Apache 组织的项目，它为开发高性能和高可用性的网络 应用程序提供的框架。当前的Mina版本支持基于 Java NIO 技术的 TCP/UDP 应用程序开发、串口通讯程序。目前正在使用 Mina的 软件有：Apache Directory Project、AsyncWeb、AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）、RED5 Server（Macromedia Flash Media RTMP）、ObjectRADIUS、Openfire等。

Netty是由JBOSS提供的一个java开源框架。Netty提供异步的、 事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。也就是说Netty是一个基于NIO的客户端和服务器端框架，使用Netty可以确保你快速和简单的开发出一个网络应用。

虽然我使用过Mina，但是建议开发选型上使用Netty 。因为Netty有对google protocal buf的支持，有更完整的ioc容器支持(spring,guice,jbossmc和osgi)。Mina更新到2.0就不再更新了，而Netty一直在更新，目前最新发布的版本已经更新到4.1，从版本更新角度可以看出Netty的社区很活跃，修复问题一直在持续，这将对我们选择它进行开发带来很多便利。

单体Netty IM系统，可以支持10万并发，如果机器性能良好的情况下可以超过10万。

分布式的Netty IM系统，可以支持更高的并发数。各组件的功能如下：

①IM Server 连接器：主要用来负责维持和客户端的TCP连接。

②缓存：负责用户、用户绑定关系、用户群组关系的缓存。 缓存临时数据、加快读速度。可以做成集群方式。

③数据库：用户、群组、离线消息。可以做成集群方式。

④消息队列：用户状态广播、群组消息广播。可以做成集群方式。

开发环境推荐使用netty-4.1.30这个版本，jdk使用1.8及以上版本。如下所示：

io.netty

netty-all

4.1.30.Final

①开发框架采用Netty + Spring(Spring4.x)。

②Spring采用Spring cloud。基于restful 短连接的分布式微服务架构，完成用户在线管理、单点登录系统。

③消息队列采用rocketMQ 高速队列，整流作用。

④数据库采用MYSQL。

⑤协议JSON +自定义数据包采用Fastjson。

基于Netty的IM开源代码在网上有很多，这里就不列举了，可以自行去git上下载。我认为关键是把概念理清楚，技术堆栈选好，总体框架定好，接下来就是开发一个适合中小企业的IM系统了，但是要考虑到后期的扩展性，因为一个好的产品不能自己用，要让更多的人使用。

如果说是一个简单的demo，或者比较粗糙，使用人数比较少，那还是比较简单的。但是要做的比较精致，并且使用人数多的情况下，还要稳定的运行，使用很流畅，那就很难了。并且还需要一个开发团队实时的去运维。

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